Un nuevo enfoque de análisis podría ayudar a aumentar la sensibilidad de los grandes telescopios

Algunos de los telescopios más grandes y sofisticados jamás construidos están en construcción en el Observatorio Simons en el norte de Chile. Están diseñados para medir el fondo cósmico de microondas (la radiación electromagnética que quedó de la formación del universo) con una sensibilidad sin precedentes. En un nuevo estudio, los investigadores detallan un método de análisis que podría mejorar estos telescopios al evaluar su desempeño antes de la instalación.

«Desarrollamos una forma de utilizar la radio-holografía para caracterizar un instrumento de telescopio criogénico completamente integrado antes del despliegue», dijo Grace Chesmore, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Chicago. «En el laboratorio, es mucho más fácil detectar problemas antes de que se vuelvan problemáticos y manipular los componentes dentro del telescopio para optimizar el rendimiento».

Aunque es común esperar hasta después de la instalación para caracterizar el rendimiento óptico de un telescopio, es difícil hacer ajustes una vez que todo está en su lugar. Sin embargo, normalmente no se puede realizar un análisis completo antes de la instalación porque las técnicas de laboratorio están diseñadas para el análisis a temperatura ambiente, mientras que los componentes del telescopio se mantienen a temperaturas criogénicas para mejorar la sensibilidad.

en el diario Óptica Aplicada, investigadores dirigidos por Jeff McMahon de la Universidad de Chicago describen cómo aplicaron su nuevo enfoque de medición a la óptica del receptor del Telescopio de Gran Apertura del Observatorio Simons, que incluye lentes, filtros, deflectores y otros componentes. Esta es la primera vez que dichos parámetros se confirman en el laboratorio antes de la implementación de un nuevo receptor.

«El Observatorio Simons creará mapas sin precedentes del resplandor del Big Bang, proporcionando una comprensión de los primeros momentos y el funcionamiento interno de nuestro universo», dijo Chesmore, primer autor del artículo. «El observatorio ayudará a hacer posibles estos mapas de fondo de microondas cósmicos ultrasensibles».

Mirando atrás en el tiempo

Los mapas de fondo de microondas cósmicas que producirá el Observatorio Simons proporcionarán una ventana a nuestro universo en un momento tan temprano en su historia que las señales diminutas de la gravedad cuántica podrían ser detectables, dice Chesmore. Sin embargo, sondear el espacio con tal sensibilidad requiere una mejor comprensión de cómo viaja la radiación electromagnética a través del sistema óptico del telescopio y la eliminación de la mayor dispersión posible.

En el nuevo trabajo, los investigadores utilizaron una técnica conocida como radioholografía de campo cercano, que se puede utilizar para reconstruir cómo viaja la radiación electromagnética a través de un sistema como un telescopio. Para hacer esto a temperaturas criogénicas, instalaron un detector que puede mapear una fuente coherente muy brillante mientras opera a la temperatura extremadamente fría de 4 Kelvin. Esto les permitió crear mapas con una relación señal/ruido muy alta, que usaron para asegurarse de que la óptica del receptor del Telescopio de Gran Apertura funcionara como se esperaba.

«Todos los objetos, incluidas las lentes, se encogen y muestran cambios en las propiedades ópticas cuando se enfrían», explicó Chesmore. «Operar el detector de holografía a 4 Kelvin nos permitió medir la óptica en las formas que tendrán cuando observen en Chile».

Del laboratorio a las observaciones espaciales

Una vez que se completaron estas mediciones, los investigadores desarrollaron un software para predecir cómo funcionaría el telescopio con fotones provenientes del espacio en lugar de la fuente de campo cercano utilizada en el laboratorio.

«El software utiliza los mapas de campo cercano que medimos para determinar el comportamiento de una fuente de microondas de campo lejano», dijo Chesmore. «Esto solo es posible usando radio-holografía porque mide tanto la amplitud como la fase de las microondas, y existe una relación conocida entre las propiedades en el campo cercano y lejano».

Usando su nuevo enfoque, los investigadores encontraron que la óptica del telescopio coincidía con las predicciones. También pudieron identificar y mitigar una fuente de dispersión antes de desplegar el telescopio.

El sistema óptico del Telescopio de Gran Apertura que caracterizaron está ahora en camino a Chile para su instalación. El Observatorio Simons incluirá el Telescopio de Gran Apertura, así como tres Telescopios de Pequeña Apertura, que se utilizarán juntos para realizar observaciones precisas y detalladas del fondo cósmico de microondas. Los investigadores de la Universidad de Chicago continuarán caracterizando los componentes de los telescopios del Observatorio Simons y dicen que esperan usar estos telescopios para comprender mejor nuestro universo.